天津大学复试反应工程习题答案5停留时间分布与反应器

5555停留时间分布与反应器停留时间分布与反应器停留时间分布与反应器停留时间分布与反应器5.1设F(θ)及E(θ)分别为闭式流动反应器的停留时间分布函数及停留时间分布密度函数，θ为对比时间。（1）（1）若该反应器为活塞流反应器，试求（a）（a）F(1)(b)E(1)(c)F(0.8)(d)E(0.8)(e)E(1.2)(2)若该反应器为全混流反应器，试求（a）F(1)(b)E(1)(c)F(0.8)(d)E(0.8)(e)E(1.2)(3)若该反应器为一个非理想流动反应器，试求（a）F(∞)(b)F(0)(c)E(∞)(d)E(0)(e)0∞∫()()()()EdEdEdEdθϑθϑθϑθϑ(f)0∞∫()()()()EdEdEdEdθθϑθθϑθθϑθθϑ解：（1）因是活塞流反应器，故符合理想活塞流模型的停留时间分布，由（5.33-5.36）式可得：(a)F(1)=1.0(b)E(1)=∝(c)F(0.8)=0(d)E(0.8)=0(e)E(1.2)=0（2）（2）因是全混流反应器，故符合理想全混流模型的停留时间分布，由（5.33-5.36）式可得：（a）F(1)=1-e-1=0.6321(b)E(1)=e-1=0.3679(c)F(0.8)=1-e-0.8=0.5507(d)E(0.8)=e-0.8=0.4493(e)=E(1.2)=0.3012（3）（3）因是一个非理想流动反应器，故可得：（a）F(∞)=1(b)F(0)=0(c)E(∞)=0(d)E(0)1(e)0∞∫()()()()EdEdEdEdθϑθϑθϑθϑ=1(f)0∞∫()()()()EdEdEdEdθθϑθθϑθθϑθθϑ=15.2用阶跃法测定一闭式流动反应器的停留时间分布，得到离开反应器的示踪剂与时间的关系如下：0222313≤⎧⎪=−≤≤⎨⎪≥⎩()()()()ttttctttctttctttcttttttt试求：（1）（1）该反应器的停留时间分布函数F(θ)及分布密度函数E(θ)。（2）（2）数学期望θθθθ及方差2θθθθσσσσ。（3）（3）若用多釜串联模型来模拟该反应器，则模型参数是多少？（4）（4）若用轴相扩散模型来模拟该反应器，则模型参数是多少？（5）若在此反应器内进行一级不可逆反应，反应速率常数k=1min-1，且无副反应，试求反应器出口转化率。解：（1）由图可知C0=C(∝)=1.0，而F(θ)=F(t)=C(t)/C(∝)，所以：020822308121312≤≤⎧⎪==−≤≤≤≤⎨⎪≥≥⎩,.,.,.,.()(),..()(),..()(),..()(),..,.,.,.,.ttttFFtttFFtttFFtttFFtttttttϑϑϑϑθθθθθθθθθθθθ如下图所示：由（5.20）式可得平均停留时间：[]11000225∞===+=∫∫∫()()()().min()()()().min()()()().min()()()().minttEtdttdFtFtdFtttEtdttdFtFtdFtttEtdttdFtFtdFtttEtdttdFtFtdFt即为上图中阴影面积。由（5.5）式得：0212303⎧⎪==≤≤⎨⎪⎩()()()()()()()()pfttttdFtdFtdFtdFtEttEttEttEttdtdtdtdttttt所以：008250812012⎧⎪==≤≤⎨⎪⎩....()()...()()...()()...()().......pfEtEtEtEtEtEtEtEtϑϑϑϑθθθθθθθθθθθθ如右图所示：（2）由于是闭式系统，故==////rrrrtVQtVQtVQtVQττττ，所以1=θθθθ由式（5.23）可得方差：122222008251001333∞=−=−=∫∫........()..()..()..()..EddEddEddEddθθθθσθθθθθθσθθθθθθσθθθθθθσθθθθθθ（3）由（5.20）式可得模型参数N为：21100133375===//.//.//.//.NNNNθθθθσσσσ（4）（4）由于返混很小，故可用22≈////PePePePeθθθθσσσσ，所以：222001333150≈==//.//.//.//.PePePePeθθθθσσσσ（5）用多釜串联模型来模拟，前已求得N=75，应用式（3.50）即可计算转化率：751251111110914575×=−+=−+=..../()/()./()/()./()/()./()/().NNNNAAAAXkXkXkXkNNNNττττ同理，亦可用扩散模型即（5.69）式得XA=0.9146。两种方法计算结果相当吻合。5.3用阶跃法测定一闭式流动反应器的停留时间分布，得到离开反应器的示踪剂与时间的关系如下：t,s01525354555657590100C(t),g/cm300.51.02.04.05.56.57.07.77.7（1）（1）试求该反应器的停留时间分布及平均停留时间。（2）若在该反应器内的物料为微观流体，且进行一级不可逆反应，反应速率常数k=0.05s-1,预计反应器出口处的转化率。（3）若反应器内的物料为宏观流体，其它条件均不变，试问反应器出口处的转化率又是多少？解：（1）由式（5.17）计算出反应器的停留时间分布，即：F(t)=C(t)/C(∝)=C(t)/7.7所得数据见下表所示：t,s01525354555657595100F(t)00.06490.12990.25970.51950.71430.84420.90911.001.00将上述数据作图即为反应器停留时间分布。根据101==×∫()()()()ttdFttttdFttttdFttttdFtt由右图可知，可用试差法得到t，使两块阴影面积相等。由图试差得46=tstststs。（2）因进行的是一级反应，故可采用离析流模型预计反应器出口转化率。由式（3.12）可得间歇反应器中进行一级不可逆反应时转化率与反应时间的关系：11005=−−=−exp(exp(.)exp(exp(.)exp(exp(.)exp(exp(.)AAAAXkttXkttXkttXktt）代入离析流模型可得反应器出口处平均转化率：[]110001005∞===−−∫∫∫()()exp(.)()()()exp(.)()()()exp(.)()()()exp(.)()AAAAAAAAAAAAXXEtdtXdFttdFtXXEtdtXdFttdFtXXEtdtXdFttdFtXXEtdtXdFttdFt（A）采用图解积分法对（A）式进行积分，其中不同时间t下的F(t)如上表所示，[]1005−−exp(.)exp(.)exp(.)exp(.)tttt的值列于下表中：t015253545556575951001-e-0.05t00.52760.71350.82620.89460.93610.96120.97650.99130.9933以F(t)～(1-e-0.05t)作图，计算积分面积得：845=.%.%.%.%AAAAXXXX（3）（3）由于是一级反应，所以混合态对反应速率无影响，故反应器出口转化率#与微观流体时相同，即845==''''.%.%.%.%AAAAAAAAXXXXXXXX。5.4为了测定一闭式流动反应器的停留时间分布，采用脉冲示踪法，测得反应器出口物料中示踪剂浓度如下：t,min012345678910C(t),g/l0035664.53210试计算：（1）（1）反应物料在该反应器中的平均停留时间tttt和方差2θθθθσσσσ。（2）（2）停留时间小于4.0min的物料所占的分率。解：（1）根据题给数据用（5.13）式即可求出E(t)，其中m可由（5.14）式求得。本题可用差分法。3566453213566453211305305305==+++++++=+++++++××====∑()(.)()(.)()(.)()(.)(.).(.).(.).(.).()()()()()()()()()()()()()()()()........mQCttQtmQCttQtmQCttQtmQCttQtQQQQQQQQQCtQCtCtQCtQCtCtQCtQCtCtQCtQCtCtEtEtEtEtmQmQmQmQ∆∆∆∆∆∆∆∆然后按照（5.20）和（5.21）式算出平均停留时间和方差。此处用差分法，即：=∑∑()()()()()()()()tEtttEtttEtttEttttttEttEttEttEtt∆∆∆∆∆∆∆∆（A）222=−∑()()()()tttttEttttEttttEttttEtttσσσσ∆∆∆∆(B)为了计算tttt和2θθθθσσσσ，将不同时间下的几个函数值列与下表中：tminC(t)g/lE(t)min-1E(t)△ttE(t)△tmint2E(t)△tmin2000000100000230.098360.098360.19670.3934350.16390.16390.49171.475460.19670.19670.79683.147560.19670.19670.98354.91864.50.14750.14750.88505.310730.098360.098360.68854.8195820.065570.065570.52464.197910.032790.032790.29512.6561000000∑0.999884.85226.92将上述数据代入（A）和（B）式得平均停留时间和方差：222222485209998848532692485333723372485301432===−====./..min./..min./..min./..min...min...min...min...min/./.././.././.././..ttttttttttttttttθθθθσσσσσσσσσσσσ（2）以E(t)～t作图（略），用图解积分法的：400400362==∫....(.)().(.)().(.)().(.)().FEtdtFEtdtFEtdtFEtdt所以，停留时间小于4.0min的物料占的分率为36.2%。5.5已知一等温闭式液相反应器的停留时间分布密度函数E(t)=16texp(-4t),min-1，试求：（1）（1）平均停留时间;（2）（2）空时；（3）（3）空速；（4）（4）停留时间小于1min的物料所占的分率；（5）（5）停留时间大于1min的物料所占的分率；（6）若用多釜串联模型拟合，该反应器相当于几个等体积的全混釜串联？（7）若用轴向扩散模型拟合，则模型参数Pe为多少？（8）若反应物料为微观流体，且进行一级不可逆反应，其反应速率常数为6min-1,CA0=1mol/l,试分别采用轴向扩散模型和多釜串联模型计算反应器出口转化率，并加以比较；（9）若反应物料为宏观流体，其它条件与上述相同，试估计反应器出口转化率，并与微观流体的结果加以比较？解：（1）由（5.20）式得：4001605∞∞−===∫∫().min().min().min().minttttttEtdtttedtttEtdtttedtttEtdtttedtttEtdtttedt（2）因是闭式系统，所以：05==.min.min.min.minttttττττ（3）（3）空速为空时的倒数，所以：111205−===minminminmin....SSSSννννττττ（4）111444000111644090840−−−===−+=∫∫∫()().()().()().()().ttttttttttttFEtdttedtteedtFEtdttedtteedtFEtdttedtteedtFEtdttedtteedt所以，停留时间小于1min的物料所占的分率为90.84%。（5）1110908400916−=−=()..()..()..()..FFFF。停留时间大于1min的物料占9.16%。（6）先计算方差：222222000241310